Electric Motors and Drives This Page Intentionally Left Blank

T/4
0
(a)
(b)
T/2
N
N
N
N
N
S
S
S
S
S
Figure 5.1
(a)
Flux pattern in a 4-pole induction motor at three successive instants of
time, each one-quarter of a cycle apart;
(b)
radial
X
ux density distribution in the air-gap at
the three instants shown in Figure 5.1
(a)
Synchronous speeds, in revs/min
Pole number
50 Hz
60 Hz
2
3000
3600
4
1500
1800
6
1000
1200
8
750
900
10
600
720
12
500
600
Induction Motors – Rotating Field, Slip and Torque
171

---

We can see from the table that if we want the
W
eld to rotate at inter-
mediate speeds, we will have to be able to vary the supply frequency, and
this is what happens in inverter-fed motors, which are dealt in Chapter 8.
Production of rotating magnetic field
Now that we have a picture of the
W
eld, we turn to how it is produced. If
we inspect the stator winding of an induction motor we
W
nd that it
consists of a uniform array of identical coils, located in slots. The coils
are in fact connected to form three identical groups or phase windings,
distributed around the stator, and symmetrically displaced with respect
to one another. The three-phase windings are connected either in star
(wye) or delta (mesh), as shown in Figure 5.2.
The three-phase windings are connected directly to a three-phase a.c.
supply, and so the currents (which produce the MMF that sets up the
X
ux) are of equal amplitude but di
V
er in time phase by one-third of a
cycle (120
8
), forming a balanced three-phase set.
Field produced by each phase winding
The aim of the winding designer is to arrange the layout of the coils so
that each phase winding, acting alone, produces an MMF wave (and
hence an air-gap
X
ux wave) of the desired pole number, and with a
sinusoidal variation of amplitude with angle. Getting the desired pole
number is not di
Y
cult: we simply have to choose the right number and
pitch of coils, as shown by the diagrams of an elementary 4-pole winding
in Figure 5.3.
In Figure 5.3(a) we see that by positioning two coils (each of which
spans one pole-pitch) 180
8
apart we obtain the correct number of poles
(i.e. 4). However, the air-gap
W
eld – shown by only two
X
ux lines per pole
for the sake of clarity – is uniform between each go and return coil side,
not sinusoidal.
Figure 5.2
Star (wye) and Delta connection of the three phase windings of a 3-phase
induction motor
172
Electric Motors and Drives

---

Plate 5.1
Stator of three-phase induction motor. The semi-closed slots of the stator
core obscure the active sides of the stator coils, but the ends of the coils are just visible
beneath the binding tape. (Photograph by courtesy of Brook Crompton)
Plate 5.2
Cage rotor for induction motor. The rotor conductor bars and end rings are
cast in aluminium, and the blades attached to the end rings serve as a fan for circulating
Induction Motors – Rotating Field, Slip and Torque
173

---

A clearer picture of the air-gap
X
ux wave is presented in the developed
view in Figure 5.3(b), where more equally spaced
X
ux lines have been
added to emphasise the uniformity of the
X
ux density between the go
and return sides of the coils. Finally, the plot of the air-gap
X
ux density
underlines the fact that this very basic arrangement of coils produces a
rectangular
X
ux density wave, whereas what we are seeking is a sinu-
soidal wave.
We can improve matters by adding more coils in the adjacent slots, as
shown in Figure 5.4. All the coils have the same number of turns, and
carry the same current. The addition of the extra slightly displaced coils
gives rise to the stepped waveform of MMF and air-gap
X
ux density
shown in Figure 5.4. It is still not sinusoidal, but is much better than the
original rectangular shape.
It turns out that if we were to insist on having a perfect sinusoidal
X
ux
density waveform, we would have to distribute the coils of one phase in a
smoothly varying sinusoidal pattern over the whole periphery of the
stator. This is not a practicable proposition,
W
rstly because we would
N
S
S
N
360
N
N
S
S
Stator
Air-gap